Holz und Holzwerkstoffe

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1 Holz und Holzwerkstoffe Skript zur Vorlesung Werkstoffe I (Materialeigenschaften) Teil Holz und Holzwerkstoffe Prof. Dr. Ing. habil. Peter Niemz Institut für Baustoffe Februar 2011

2 Inhaltsverzeichnis Kapitel I Einführung Kapitel II Aufbau des Holzes und der Holzwerkstoffe 1. Anatomischer Aufbau des Holzes 2. Holzwerkstoffe Kapitel III Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe 1. Koordinatensystem 2. Dichte 3. Holzfeuchte/Quellen und Schwinden 4. Thermische Eigenschaften 5. Elastische Eigenschaften 6. Festigkeitseigenschaften 7. Rheologische Eigenschaften Kapitel IV Übungsaufgaben Kapitel V Weiterführende Literatur Lernziele Holz ist ein wichtiger Baustoff. Aufbauend auf einer Erläuterung des strukturellen Aufbaus von Holz und Holzwerkstoffen, werden wesentliche materialwissenschaftliche Grundlagen für den Einsatz von Holz und Holzwerkstoffen im Bauwesen vermittelt. Den Schwerpunkt bilden dabei die physikalischmechanischen Eigenschaften des Holzes und der Holzwerkstoffe. II

3 KAPITEL I: Einführung Die Konkurrenz der Baumaterialien ist gross. Seit ein paar Jahren verzeichnet der Holzverbrauch im Bauwesen wieder deutliche Zuwachsraten, gleichwohl er prozentual gesehen immer noch einen vergleichsweise geringen Anteil an der Gesamtmenge aufweist. Eine Reihe von Gründen sprechen für den vermehrten Einsatz von Holz: So entsteht kein Alternativprodukt so umweltschonend wie das Holz. Ein Blick in verschiedene Statistiken zeigt die ungeheuren Möglichkeiten dieses nachwachsenden Rohstoffes. Weltweit existieren etwa 3,5 Mrd. ha Wald, die grössten Anteile davon finden sich in Osteuropa und Südamerika (Abbildung 1). Nord- und Westeuropa besitzen gemeinsam nur etwa drei Prozent der weltweiten Waldgebiete. Aber auch einige Staaten in Mitteleuropa wie die Schweiz oder Deutschland sind auf ihre Fläche bezogen typische Waldländer, besitzen beide doch auf gut einem Drittel ihrer Landesfläche Wald, ein Anteil der in den vergangenen Jahrzehnten immer weiter gestiegen ist. Afrika 15% Nord- und Mittelamerika 16% Ozeanien 3% Asien 15% Südamerika 24% Osteuropa (inkl. Russland) 24% Nord- und Westeuropa 3% Abbildung 1: Waldflächenverteilung weltweit (Quelle: state of the world s forests, FAO 1999) Nutzbare Wälder gibt es in ganz Europa (ohne Russland) etwa 150 Mio Hektar. Das entspricht einem nutzbaren Gesamtvorrat von 21,4 Milliarden m 3. Jedes Jahr wachsen in diesem Gebiet neu 661 Mio. m 3 Holz zu (in Rinde), was zu einer Rundholzproduktion von etwa 327 Mio. Festmetern führt. Ein Grossteil dieser Produktion erfolgt in Schweden, Finnland, Frankreich und Deutschland. In der Schweiz, die über eine Fläche an nutzbaren Wäldern von 1,06 Mio. ha. verfügt, sind es immerhin noch über 5 Mio. m 3, eine Zahl die seit vielen Jahrzehnten stetig ansteigt (Zahlen: Forest Resources of Europe, UN ECE/FAO 2000, Main Report). Das bedeutet, dass in der Schweiz (wie auch in Deutschland) jährlich mehr Holz nachwächst als genutzt wird. Für die Schweiz und viele andere Länder in Europa gilt in der Forstwirtschaft schon lange der Grundsatz der Nachhaltigkeit (nicht mehr ernten als produziert wird), was eine Nutzung der Ressource Holz auch noch weit in der Zukunft garantiert. Wofür das geerntete Holz genutzt wird, hat sich im vergangenen Jahrhundert aber stark geändert (Tabelle 1). Waren 1920 noch über die Hälfte des Holzschlags für die Brennholzproduktion genutzt worden, so überwiegt heute die Stammholzproduktion (z.b. Balken, Bretter), und der Anteil des Industrieholzes (z.b. für Zellstoff- und Faserplattenproduktion) nimmt immer mehr zu. 3

4 Tabelle 1: Entwicklung der Nutzung der Schweizer Wälder. Angaben in 1000 m 3. (Quelle: Schweizerischer Forstkalender Anhang. Verlag Huber Frauenfeld) Jahr Stammholz Industrieholz Brennholz Gesamtmenge Trotz dieser Entwicklung ist der Brennholzanteil in der Schweiz im Vergleich mit anderen Industrienationen immer noch sehr hoch (1992: Schweiz 19%, Deutschland 12%, Finnland 8%, Kanada 4%; Quelle: FAO Yearbook of Forest Products 1992). Ökologisch gesehen ist das Heizen mit Holz als sinnvoll anzusehen, da Holz ausschliesslich aus gespeicherter sauberer Sonnenenergie besteht, die zur Wärmegewinnung wieder freigesetzt wird und dessen verbrauchte Biomasse im Unterschied zu fossilen Energieträgern wieder nachwächst. Inzwischen existieren Holzfeuerungsanlagen mit hohem Wirkungsgrad, so dass sich das Heizen mit Holz auch finanziell lohnen kann. Besonders die automatische Heizung mit Holz hat sehr stark zugelegt (Tabelle 2). Tabelle 2: Entwicklung der Holzenergienutzung in der Schweiz in TJ. (Quelle: Schweizerische Statistik der Erneuerbaren Energien 2001; Bundesamt für Energie) Einzelraumheizung mit Holz Gebäudeheizung mit Holz Automatische Feuerungen mit Holz Feuerungen mit Holzanteilen Holzkohlenutzung In einem Kubikmeter Holz sind durchschnittlich 255 kg Kohlenstoff gespeichert, was einem CO 2 - Äquivalent von 0,935 Tonnen entspricht. Die Verwendung von Holz oder Holzprodukten im Bauwesen trägt also erheblich zur langfristigen C-Speicherung bei und hilft, die Ziele der Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen in Kyoto, 1997, nämlich die Emission an Treibhausgasen, zu denen CO 2 massgeblich beiträgt, weltweit um 5,2% zu reduzieren und so den negativen Auswirkungen durch die Klimaveränderung entgegenzuwirken. Die Verwendung von Holz hilft aber auch schon bei der Produktion Energie zu sparen und damit den CO 2 -Ausstoss gering zu halten. Vergleicht man den mittleren Energieverbrauch, um die gleiche Menge Werkstoff zu produzieren, fallen Produkte aus Aluminium mit einem um 70-fach höheren Wert weit vom Holz ab (Abb. 2). Es gilt jedoch zu berücksichtigen, dass durch die abweichenden Materialeigenschaften meist deutlich weniger Material an Aluminium oder Stahl benötigt wird, um die gleiche statische Leistung zu erbringen. 4

5 70 relativer Energieverbrauch Holz Beton Backstein Stahl Aluminium Abbildung 2: Mittlerer relativer Energieverbrauch (Holz = 1) ausgewählter Rohstoffe zur Herstellung pro Tonne Fertigprodukt. (Quelle: Corrim Report 1976; Koch 1991) Bei einigen Materialeigenschaften wie dem E-Modul kann Holz also nicht die Werte der Konkurrenz- Baustoffe erreichen. Andere Eigenschaften wie Wärmedämmung oder Reisslänge dagegen bringen Holz auf die vorderen Plätze und zeigen seine Vielseitigkeit (Abbildung 3 und Abbildung 4). So ergibt sich für Holz eine Reisslänge von 17 km, ein Wert, der von den Konkurrenzmaterialien nur von Spannbeton übertroffen wird. Ähnlich gut steht Holz bei der Wärmedämmung da: Nur Schaumstoff, der sich aber nicht als Konstruktionsmaterial eignet, erreicht bessere Werte. Aluminium Baustahl Beton 9.2 Glas 6 Backstein 3.1 Kunststoff 2.3 Fichtenholz 1 Schaumstoff 0.3 relative Dicke Abbildung 3: Relative Schichtdicke ausgewählter Baustoffe mit gleicher Wärmedämmung. (Quelle: Dubbel 1974) 5

6 Spannbeton 1974 Fichtenholz 17 Aluminium 9.5 Baustahl 5 Kunststoff 3.3 Glas 2.4 Backstein 0.9 Beton 0.13 Reisslänge in km Abbildung 4: Reisslänge ausgewählter Baustoffe. (Quelle: Dubbel 1974) 6

7 KAPITEL II: Aufbau des Holzes und der Holzwerkstoffe 1. Anatomischer Aufbau des Holzes 1.1 Der Makroskopische Holzaufbau Schnittebenen des Holzes Holz ist ein Naturprodukt und entsprechend den Anforderungen des Baumes bezüglich seiner Stabilität, seines Wachstums und seiner Versorgung aufgebaut. Das bedeutet, dass es sich bei Holz nicht um ein homogenes und isotropes Material handelt. Ganz im Gegenteil: Der axiale Aufbau des Stammes wie auch der Äste und Wurzeln spiegelt sich im Holzaufbau wider. Ein Grossteil der Strukturen folgt diesem axialen Verlauf (Faser-Grundgewebe, Wasserleitungsbahnen) und nur ein geringer Prozentsatz der Zellstrukturen (Holzstrahlen) weist eine radiale Ausrichtung aus. Im Unterschied zu vielen anderen mehrjährigen Pflanzen wachsen Bäume jedes Jahr um eine gewisse Distanz in die Breite (Dickenwachstum). Ein Zellkranz aus lebenden Zellen, das Kambium, befindet sich nur wenige Zentimeter unter der Baumrinde und ist für dieses Dickenwachstum verantwortlich. Nach innen bilden diese Kambialzellen Holzzellen (Xylem). Die jeweiligen Holzabschnitte, die innerhalb eines Jahres entstehen, nennt man Jahrringe. Der Holzkörper ist für die Stabilität des Baumes, für die Speicherung von Nähr- und Reservestoffen sowie für den Transport von Wasser aus den Wurzeln verantwortlich. Die vielfältigen Aufgaben des Holzkörpers finden sich in der Anatomie des Holzes wieder. Nach aussen bildet das Kambium Bastzellen (Phloem). Dieser äussere Zellkranz dient dem Transport von Zuckern und Nährstoffen, die in der Krone des Baumes produziert werden und ist nur sehr schmal. Bei der Betrachtung des Holzes unterscheiden wir drei Schnittebenen, die jeweils unterschiedliche charakteristische Aspekte des dreidimensionalen Holzkörpers aufzeigen (siehe Abbildung 5). Nur eine Kombination aller drei Ebenen ermöglicht uns ein vollständiges Bild der jeweiligen Holzstruktur. Auch für die Beurteilung und Bestimmung von Holzeigenschaften ist die Einteilung in diese verschiedenen Schnittrichtungen von Bedeutung. Wegen seines anisotropen Aufbaus ändern sich die Eigenschaften des Holzes je nach Belastungsrichtung. Querschnitt: der Querschnitt eines Baumstammes hat im Normalfall eine annähernd kreisrunde Form. Die jüngsten Teile des Baumes befinden sich im Inneren. Zentral liegt die Markröhre. Die einzelnen Jahrringe des Baumes sind mit blossem Auge als konzentrische Ringe zu erkennen. Der Querschnitt weist eine netzförmige Textur auf, da das dominierende axiale Gewebe durchtrennt ist. Die Holzstrahlen verlaufen von Innen nach Aussen über die Jahrringgrenzen hinweg. Radialschnitt: Diese Schnittebene entsteht, wenn man ein Stammsegment von der Mitte her wie eine Torte aufteilt, im einfachsten Falle also in der Mitte von Markröhre bis Rinde durchtrennt. Der Radialschnitt zeigt die Kreuzung der axialen und radialen Gewebe. Die Holzstrahlen verlaufen in horizontaler Richtung. Tangentialschnitt: Er entsteht, wenn wir den Längsschnitt im äusseren Bereich des Stammsegments setzen. Die einzelnen Jahrringe sind nicht mehr so leicht zu erkennen, da sie nun unregelmässig fladerig in Erscheinung treten. Typisch für diese Schnittebene ist, dass die radial verlaufenden Holzstrahlen nun im Querschnitt zu sehen sind. Je nach Breite der Holzstrahlen kann man längs verlaufende Streifen oder Spindeln erkennen. 7

8 Markröhre Rinde Spätholz Frühholz Jahrring Querschnittt Splintholz Kernholz Radialschnittt Holzstrahlen Tangentialschnitt Abbildung 5: Die drei Schnittebenen des Holzes und die wichtigsten Strukturelemente am Beispiel eines Nadelholzstammes. 8

9 Splintholz und Kernholz Im Holz der Bäume wird das Wasser von den Wurzeln bis hinauf in die Krone transportiert, um dort für die Energieproduktion zur Verfügung zu stehen (Photosynthese). Ältere Bäume benutzen aber nicht den gesamten Holzkörper für die Leitung von Wasser, sondern nur die jüngeren Jahrringe. Wie viele Jahrringe das sind, hängt stark vom Typus der Leitungsbahnen und damit von der Baumart ab. Die Zahl der beteiligten Jahrringe reicht entsprechend von nur 1-5 (ringporige Baumarten wie Ulme, Eiche, Robinie) bis hin zu Den Holzteil, der für die Wasserleitung zuständig ist, nennt man Splintholz. Der innere Holzteil, der nicht an der Wasserleitung beteiligt ist, wird allgemein als Kernholz bezeichnet. Im engeren Sinne wird dieser Begriff jedoch nur für solche Holzarten verwendet, deren innerer Holzkörper farblich vom Splintholz abweicht, im Regelfall also dunkler erscheint. Es gibt aber auch Baumarten mit heller Verkernung, wie Fichte, Birke, Tanne, Weide, wo sich Splint und Kern farblich gleichen. Ausserdem gibt es Baumarten, die man als fakultative Kernholzbildner bezeichnet. Diese Baumarten, zu denen Esche, Buche und Pappeln gehören, weisen im Normalfall einen hellen Kern auf, unter bestimmten Umständen kann sich jedoch ein Farbkern ausbilden. Der Umriss eines solchen fakultativen Farbkerns ist dann meist nicht wie der der obligaten Kernholzbildner mit einer Jahrringgrenze identisch, sondern weist einen unregelmässigen Umriss auf. Typische Baumarten mit obligater Kernholzbildung sind Föhre, Douglasie, Eiche und Ulme. Die Bäume wandeln in komplexen biochemischen Prozessen (Hydrolyse von Stärke, oxidative Polymerisation etc.) Splint- in Kernholz um. Es kommt zu Verfärbungen, Einlagerungen und bei einigen Laubbäumen zu Verthyllungen der entsprechenden Holzbereiche. Durch diese Prozesse wird das Holz gegen den Abbau von Mikroorganismen besser geschützt und erreicht eine deutlich höhere Dauerhaftigkeit. Jahrringe und Zuwachszonen In Gebieten mit ausgeprägten Jahreszeiten sind die jährlichen Zuwächse an Holz in Form von Jahrringen sehr gut erkennbar. Die Bäume zeigen ein periodisches Wachstum, das eng an Temperatur und Wasserversorgung gekoppelt ist, und setzen ihr Dickenwachstum im Winter ganz aus. Das Holz, das zu Beginn der Vegetationsperiode im Frühjahr gebildet wird, ist sehr locker und porenreich. Der Baum legt zu Beginn des Jahres seine Prioritäten auf die Wasserleitung. In Nadelhölzern bedeutet das weitlumige Tracheiden, also Zellen mit dünnen Wänden und grossem Porenvolumen. Im Laubholz wird dies durch eine hohe Zahl oder besonders grosse Durchmesser der Gefässe, also der Zellen, die für die Wasserleitung zuständig sind, erreicht. Diese zu Jahresbeginn gebildeten Holzabschnitte bezeichnet man als Frühholz. Zum Ende der jährlichen Dickenwachstumsphase der Bäume, im Spätsommer oder Herbst, ändern sich die Prioritäten. Die Wasserleitung tritt in den Hintergrund und die Festigkeitseigenschaften der Holzzellen wird wichtiger. Deshalb bilden viele Bäume in den letzten Zellreihen des Jahrrings Zellen aus, die besonders dicke und ligninreiche Wände besitzen, aber kaum noch Wasser transportieren können. Für Laubbäume bedeutet das, dass die Anzahl der Gefässe zurückgeht und die Durchmesser stark abnehmen können. Das Spätholz ist dadurch deutlich dichter als das Frühholz. Die beiden Abschnitte kann man besonders bei Nadelhölzern auch farblich gut unterscheiden. Das hellere Frühholz macht in einem Durchschnittsjahr mindestens 4/5 der Jahrringbreite aus. Das rötliche bis dunkelbraune Spätholz ist meist nur ein schmaler Ring. Der Anteil des Spätholzes steigt aber, wenn Stressbedingungen (z.b. Trockenheit) ein gutes Dickenwachstum verhindern. In Extremfällen kann ein Jahrring so schmal sein, dass man ihn mit blossem Auge nicht mehr erkennt und besteht dann nur noch aus einigen wenigen Spätholzzellen. Die Breite der Jahrringe, der Anteil des Spätholzes und die Regelmässigkeit des Dickenzuwachses können die Holzeigenschaften massgeblich beeinflussen. In Gebieten ohne ausgeprägte Jahreszeiten kommt es meist nicht zur Ausbildung von Jahrringen. Die Bäume finden das ganze Jahr über gute Wachstumsbedingungen vor und können theoretisch zwölf Monate im Jahr Dickenwachstum betreiben. Trotzdem kann man auch in den Hölzern dieser tropischen Gebiete Zuwachszonen erkennen. Sie spiegeln Wachstumsphasen wider, die aber nicht mit Jahren korreliert sind und deshalb nichts über das Alter der Bäume aussagen. 9

10 Porigkeit Auch ohne Mikroskop sind im Holzquerschnitt zum Teil Poren erkennbar (Abbildung 6). Dies trifft nicht für die Nadelhölzer zu, da der Durchmesser der Tracheiden zu klein ist und diese selbst mit Lupe nur selten zu sehen sind. Die Löcher die man im Holz der Nadelbäume makroskopisch erkennen kann, sind Harzkanäle. Harzkanäle sind ein Instrument zum Schutz des Holzes z.b. für die Abwehr von Borkenkäfern. Das in den Kanälen enthaltene Harz verklebt die Insekten. Die Föhren verfügen über viele Harzkanäle, besonders im Spätholz, Tanne und Eibe dagegen weisen im gesunden Holz keine Harzkanäle auf. Abbildung 6: Muster in der Jahrringbildung von Nadelhölzern (links), ringporigen (Mitte) und zerstreutporigen (rechts) Laubhölzern. Die obere Zeichnung stellt jeweils einen sehr engen, die untere einen breiten Jahrring dar. Die Laubhölzer verfügen über spezielle Zellen, die für die Wasserleitung verantwortlich sind. Diese axial verlaufenden Zellen werden Gefässe genannt und besitzen einen deutlich grösseren Durchmesser als die Fasern des Grundgewebes, so dass sie teilweise schon mit blossem Auge, auf jeden Fall aber mit der Lupe, erkennbar sind. Man unterteilt die Laubhölzer je nach Grösse und Anordnung der Gefässe in zwei Hauptgruppen: Zerstreutporer und Ringporer. Die Zerstreutporer besitzen mittelgrosse Gefässe, die über den gesamten Jahrring annähernd gleichmässig verteilt sind und in ihrem Durchmesser weitgehend konstant bleiben. Die Ringporer dagegen weisen im Frühholz 1-3 sehr grosse Gefässe, die einen Durchmesser von über einem halben Millimeter besitzen können, im weiteren Verlauf des Jahrrings jedoch nur noch einige kleine bis mittelgrosse Spätholzgefässe auf. Strukturell ergibt sich deshalb im Querschnitt ein deutlich sichtbarer Ring aus Frühholzporen, der für diese Holzgruppe namensgebend war. Ähnlich wie der Spätholzanteil der Nadelbäume bleibt die Breite der Frühholzgefässe auch bei sich ändernden Jahrringbreiten weitgehend konstant (vergleiche Abbildung 6). In unseren Breiten überwiegt der Typus Zerstreutporer. Lediglich die Baumarten Eiche, Ulme, Robinie, Esche und Edelkastanie haben ein ringporiges Holz. In den Tropen kehrt sich dieses Verhältnis um und fast alle Baumarten besitzen ein ringporiges Erscheinungsbild. Die grossen Durchmesser der Frühholzgefässe haben den Vorteil, sehr viel mehr Wasser in deutlich kürzerer Zeit zu leiten, bergen aber auch das Risiko eines Zusammenbruchs der Leitungsbahnen (Embolien) auf Grund von Wassermangel oder Lufteinbruch. Reaktionsholz An Stämmen von Nadel- und Laubbäumen, die geneigt bzw. starken Windbelastungen ausgesetzt sind, findet man genauso wie an Ästen einen besonders ausgeformten Holztyp, das Reaktionsholz. Dieses hat die Aufgabe, die ursprüngliche Wachstumsrichtung von Ast und Stamm beizubehalten bzw. wiederherzustellen. Die Ausbildung von Reaktionsholz führt oft zu einer einseitigen Förderung des Wachstums: der Stamm- bzw. Astquerschnitt ist nicht mehr rund, sondern exzentrisch geformt. In Nadelbäumen wird das Reaktionsholz auch Druckholz genannt, da es an der der Belastung abgewandten Seite (Lee-Seite) den Stamm oder Ast in die entsprechende Richtung drücken soll. In den Laubbäumen dagegen wird das Reaktionsholz an der Luv-Seite der Belastung, also z.b. auf der Astoberseite, gebildet und entsprechend Zugholz genannt. Die Zellen des Reaktionsholzes weichen 10

11 von den normalen Fasern in Aufbau und Zusammensetzung etwas ab und verändern dadurch auch entscheidend die Holzeigenschaften. Die Folge sind entsprechende Schwierigkeiten und Einschränkungen bei Bearbeitung und Verwendung von Stammholz mit Reaktionsholzanteilen. 1.2 Mikroskopischer Aufbau von Nadel- und Laubholz Nadelholz Das Nadelholz besteht aus nur zwei Zelltypen. Den Hauptanteil nehmen dabei die Tracheiden (90-95%), den Rest Parenchymzellen ein. Im Gegensatz zum Laubholz besitzt das Nadelholz also nur wenige Zelltypen, die dafür in der Lage sind, mehrere Funktionen auf einmal zu übernehmen. Die Tracheiden sind Alleskönner und sowohl zur Wasserleitung fähig, als auch für die mechanische Stabilität von Nadelholz verantwortlich. Die Tracheiden sterben schon bald nach ihrer Entstehung ab und sind in Funktion stets tot. Die Längstracheiden (Abbildung 7) sind axial verlaufende, langgestreckte Zellen, die im Inneren ein Lumen besitzen, also hohl sind. Das im Lumen transportierte Wasser kann über Verbindungen zwischen den Tracheiden, sogenannte Tüpfel, weitergeleitet werden. Spiralverdickungen grosse Hoftüpfel kleine Hoftüpfel Fenstertüpfel einseitig behöfte Tüpfel Abbildung 7: Schematische Darstellung einer Frühholztracheide mit verschiedenen Tüpfelarten und schraubenförmigen Verdickungen. Die Verbindung zwischen zwei Tracheiden nennt man Hoftüpfel (Abbildung 8). Sie besitzen einen auf Druckunterschiede reagierenden Schliessmechanismus. Ein Deckplättchen (Torus) ist im Tüpfelinneren (Porus) an aus Zellulose bestehenden Margofäden aufgehängt. Kommt es zu einem Lufteinbruch in das Wasserleitsystem wird der Torus durch den entstehenden Unterdruck auf den Porus gedrückt und verschliesst so die Zellverbindung ohne Energieaufwand. Margo Porus Torus Abbildung 8: Schematische Darstellung der Tüpfelarten zwischen zwei Zellen. Links: einfacher Tüpfel. Rechts: Hoftüpfel. Die Spätholztracheiden sind etwas englumiger und dickwandiger als die Frühholztracheiden. Neben den Längstracheiden existieren in einigen Baumarten auch Quertracheiden. Sie befinden sich an den oberen oder unteren Enden der Holzstrahlen. Die Holzstrahlen sind Zellverbände, die in radialer Richtung den Holzkörper durchziehen. 11

12 Der zweite wichtige Zelltyp des Nadelholzes ist die Parenchymzelle. Diese Zellen sind im Splintholz stets lebend und haben die Hauptaufgaben Beladung, Speicherung und Entladung von Reservestoffen. Die Länge der Parenchymzellen ist meist deutlich geringer als die der Tracheiden. Die Holzstrahlen bestehen zum überwiegenden Teil aus Parenchymzellen. Die Parenchymzellen sind untereinander mit einfachen Tüpfeln verbunden (Abbildung 8). Zwischen den Parenchymzellen und den Tracheiden existieren ebenfalls Tüpfelverbindungen, die eine besondere Form haben können (Bsp. Fenstertüpfel bei Föhrenarten; Abbildung 7). Auch in den Harzkanälen befinden sich Parenchymzellen. Sie werden Epithelzellen genannt und sind in der Lage, Harz auszuscheiden. Laubholz Im Gegensatz zum Nadelholz gibt es beim Laubholz viele verschiedene Zelltypen und damit eine Arbeitsteilung. Das wiederum axial verlaufende Grundgewebe besteht aus Fasern. Je nach Entwicklungstyp handelt sich um Libriformfasern, Fasertracheiden oder vasizentrische Tracheiden, wobei in einer Holzart auch mehrere Fasertypen vorkommen können. Der am weitesten differenzierte Fasertyp ist die Libriformfaser. Sie ist ausschliesslich für die Festigkeit zuständig. Die Fasertracheide dagegen ist wie bereits der Name verrät, funktionell der Nadelholz-Tracheide noch sehr ähnlich und übernimmt neben Festigkeits- auch Wasserleitungsaufgaben. Der Hauptteil der Wasserleitung erfolgt jedoch, wie bereits erwähnt, über die Gefässe. Ein Gefäss kann im Falle einer ringporigen Baumart bis zu mehreren Metern lang sein und besteht aus einer Vielzahl von Gefässgliedern, die nur wenige Zehntel Millimeter lang sind (Abbildung 9). Die Gefässglieder sind entweder unten wie oben völlig offen (einfache Gefässdurchbrechung) oder sind mit einer leiterförmigen Gefässdurchbrechung verbunden, so dass das Wasser auf einfache Art und Weise transportiert werden kann. Zusätzlich gibt es einen horizontalen Wassertransport über intervaskuläre Tüpfel. Die Gefässglieder besitzen eine recht dünne, vergleichsweise stark lignifizierte Zellwand und sind wie die Fasern bei Beginn ihrer Funktionserfüllung bereits tot. leiterförmige Gefässdurchbrechung Tüpfelung a) einfache Gefässdurchbrechung Schraubenverdickungen b) Abbildung 9: Gefässglied aus dem Frühholz (a) und dem Spätholz (b). Im Gegensatz zu den einreihigen Holzstrahlen der Nadelhölzer, finden sich im Laubholz zum Teil recht breite Holzstrahlen, die im Tangentialschnitt durch ein Holzstück einen spindelförmigen Umriss annehmen. Sie bestehen ausschliesslich aus lebenden Parenchymzellen. Im Laubholz findet man aber auch axial ausgerichtetes Parenchym. Diese Zellen liegen entweder vereinzelt, in Bändern oder um Gefässe herum verteilt vor. Für Tropenhölzer ist ein augenförmiges Umfliessen der Leitungsbahnen sehr typisch. Das Axialparenchym hat neben der Speicherfunktion auch die Aufgabe der Stoffausscheidung (z.b. Kristalle). 12

13 Einlagerungen Neben den Kristallen gibt es (vor allem im Laubholz) oftmals auch andere nachträgliche Einlagerungen in den Holzkörper. Die lebenden Zellen (Parenchymzellen) verursachen eine Verstopfung der Leitungsbahnen, indem sie gummiartige Substanzen in die Lumina der Zellen einlagern. Über Tüpfel gelangen diese Materialien auch in bereits tote Zellen, also Gefässe und/oder Fasern. Die Substanzen haben oftmals eine fungitoxische Wirkung. Auf diese Weise wird das Holz unempfindlicher gegen die Besiedlung und gegen einen Abbau durch Mikroorganismen. Eine Besonderheit stellen die Thyllen einiger Laubbäume dar: Parenchymzellen stülpen in die benachbarten Gefässe über die Tüpfelöffnungen suberinhaltige Taschen hinein (Abbildung 10), die in ihrer Form und Entstehung an Kaugummiblasen erinnern. Auf diese Weise können selbst grosse Zelllumina mit wenig Material- und Energieaufwand wirkungsvoll verschlossen werden. Die beschriebenen Einlagerungen entstehen als Abwehrmassnahme gegen Lufteinbruch oder Mikroorganismen, finden sich aber auch im Kernholz vieler Laubbäume wie z.b. Eiche, Ulme oder Robinie. Abbildung 10: Schematische Darstellung verthyllter Laubholzgefässe mit Thyllen (T) aus Axialparenchym (links: Radialschnitt) und Holzstrahl-Parenchym (Mitte: Tangentialschnitt und rechts: Querschnitt). 13

14 1.3 Zellwandfeinbau Zellwandschichten So unterschiedlich Funktion, Form und Aussehen der Holzzellen auch sind, der Aufbau der verholzten Zellwand folgt in allen Fällen einem sehr ähnlichen Grundmuster. Die Zellwand besteht aus den vier Wandschichten Mittellamelle, Primärwand, Sekundärwand und Tertiärwand, die sich konzentrisch um das Lumen anordnen (Abbildung 11). Die einzelnen Zellwandschichten unterscheiden sich in ihrer chemischen Zusammensetzung und in der Orientierung der Zellulose-Mikrofibrillen. Tertiärwand bzw. G-Schicht S3-Schicht S2-Schicht S1-Schicht Primärwand Mittellamelle Abbildung 11: Aufbau der verholzten Zellwand. Schematische Zeichnung eines Querschnitts. Die Mittellamelle verbindet zwei benachbarte Zellen, d.h. zwei aneinandergrenzende Zellen besitzen eine gemeinsame Mittellamelle. Sie besteht zu grossen Teilen aus Lignin (90%), Pektin und Hemizellulosen. Aus dem hohen Lignifizierungsgrad ergibt sich eine hohe Steifigkeit und Druckfestigkeit. Die Dicke der Mittellamelle beträgt gewöhnlich nur wenige Zehntel m (1mm = 1000 m). 14

15 2. Holzwerkstoffe 2.1 Übersicht zu den Holzwerkstoffen Holzwerkstoffe entstehen durch Zerlegen des Holzes und anschliessendes Zusammenfügen der entstandenen Teile in geeigneter Weise, häufig (aber nicht ausschliesslich) mit Hilfe von Klebstoffen. Abbildung 12: Zusammensetzung von Holzwerkstoffen. Tabelle 3: Holz- und Klebstoff-Anteile verschiedener Holzwerkstoffe. Material Holzanteil in % Leimanteil in % Brettschichtholz Massivholzplatte Spanplatte Faserplatte (bei HDF bis 16%, bei leichten MDF je nach Klebstoffart z.t. deutlich höher) Furnierwerkstoffe (80) (hohe Anteile bei kunstharzimprägniertem Holz) Die Anforderungen an die Holzqualität sind bei den verschiedenen Holzwerkstoffen sehr differenziert. Allgemein steigen die Anforderungen an die Holzqualität mit sinkendem Aufschlussgrad des Holzes. Sie sind bei Brettschichtholz und Lagenhölzern deutlich höher als bei Spanplatten. Vollholz Vollholz kann in unvergütetes und vergütetes Vollholz eingeteilt werden. Zu Vollholz werden Schnittholz (einschliesslich getrocknetes), Furnier und Rundholz gezählt. Im Bauwesen wird für getrocknetes und meist vorsortiertes Holz häufig der Begriff Konstruktionsvollholz gebraucht. Zunehmende Bedeutung erlangt auch vergütetes Holz. Die Vergütung kann z.b. erfolgen durch: Druck (Erhöhung der Dichte und damit auch der Festigkeit, teilweise mit thermischer oder hydrothermischer Vorbehandlung kombiniert). Tränkung mit Kunstharzen zur Erhöhung der Härte und des Abriebwiderstandes oder mit Schutzmitteln gegen Feuer und Holzschädlinge. Thermische oder hydrothermische Vergütung, Vergütung in heissem Öl, Methylierung oder Acetylierung, thermische Vergütung und gleichzeitige Zugabe von Harzen aus Holz zwecks Verbesserung des Quell- und Schwindverhaltens und der Dauerhaftigkeit (und somit Reduzierung des Einsatzes von Holzschutzmitteln). 15

16 Holzwerkstoffe Das Holz kann durch Auftrennung in Strukturelemente von sehr unterschiedlicher Grösse zerlegt werden: Abbildung 13: Strukturelemente von Holzwerkstoffen nach Marra (1972), zitiert in Dunky und Niemz (2002). Mit der Grösse dieser Strukturelemente ändern sich auch wesentlich die Eigenschaften des daraus gefertigten Werkstoffes. So verringert sich mit zunehmendem Aufschluss des Holzes die Festigkeit. Tabelle 4: Einfluss der Strukturauflösung auf die Eigenschaften von Holzwerkstoffen (vom Schnittholz zur Faserplatte). Festigkeit Aufschlussgrad Homogenität Isotropie Energieeinsatz Umweltbeeinträchtigung Wärmedämmung Oberflächengüte Vollholz Holzwerkstoff Die Homogenität, die Wärmedämmung, die Isotropie und die Oberflächenqualität steigen dabei gleichzeitig ebenso wie der notwendige Energieaufwand und die Umweltbeeinträchtigung. Die Eigenschaften von Holzwerkstoffen lassen sich über die Struktur in einem weiten Bereich variieren. Holzwerkstoffe können in die folgenden Gruppen eingeteilt werden: 16

17 Werkstoffe aus Holz Vollholz- Werkstoffe Massivholzplatten Brettschichtholz (BSH) Kreuzbalken Lamelliertes Holz Brettstapelplatten vorgefertigte Elemente Furnier- Werkstoffe Furnier-Schichtholz (Laminated Veneer Lumber, LVL) Sperrholz Furnierstreifenholz (Parallam) Span- Werkstoffe Spanplatte Oriented Strand Board (OSB) Spanstreifenholz (Laminated Strand Lumber, LSL) Waferboard Strangpressplatte Scrimber Spezialplatten Faser- Werkstoffe mitteldichte Faser- Platte (MDF) Poröse Faserplatte (SB) Harte Faserplatte (HB) Verbund- Werkstoffe Tischlerplatte Stäbchensperrholz Parkett-Verbundplatten Sperrtüren etc. Abbildung 14: Einteilung von Holzwerkstoffen. 2.2 Werkstoffe auf Vollholzbasis Werkstoffe auf Vollholzbasis gewinnen seit dem Ende der achtziger Jahre zunehmend an Bedeutung. Gefördert wird diese Entwicklung durch die wachsende Bedeutung des Holzes als ökologischer Baustoff. Abbildung 15 zeigt eine Einteilung der Werkstoffe auf Vollholzbasis. Zu dieser Gruppe gehören (s. auch Abbildung 16): Massivholzplatten (ein- oder mehrschichtig, oft auch als Leimholzplatten bezeichnet; für das Bauwesen werden Platten im Format bis zu 3 m x 12 m x 0,5 m (Dicke) gefertigt, über 12 cm Dicke werden die Platten meist als Hohlraumkonstruktion ausgeführt). Elemente in Brettstapelkonstruktion (genagelt, gedübelt, geklebt, Schwalbenschwanzverbindung). Stabförmige, verklebte Elemente (lamelliertes Holz, Brettschichtholz, Profile; zunehmend im Bauwesen eingesetzt). Verbundelemente wie Kastenträger. Letztere gewinnen im Holzbau als Leichtbauprinzip an Bedeutung. Dabei werden die Hohlräume teilweise mit Sand (Erhöhung der Schalldämmung) oder mit Dämmstoffen (z.b. Faserdämmplatten; Erzielung einer erhöhten Wärmedämmung) ausgefüllt. Werkstoffe auf Vollholzbasis plattenförmig stabförmig Verbund-Elemente einschichtig mehrschichtig Brettschichtholz Lamelliertes Holz (einschliesslich Profile) Kreuzbalken Hohlkastenträger Elemente mit Wärme- / Schalldämmung Abbildung 15: Einteilung von Werkstoffen auf Vollholzbasis. 17

18 a c Brettschichtholz Lamelliertes Holz Massivholzplatte (fünfschichtig) b Hohlkastenprofile d Abbildung 16: Struktureller Aufbau ausgewählter Werkstoffe auf Vollholzbasis. a Brettstapelbauweise gedübelt, b Brettstapelbauweise, Schwalbenschwanzverbindung, c Massivholzplatten, Brettschichtholz, Hohlkastenprofile aus Holz, d Massive Konstruktion (Appenzeller Holz, analog Holz 100 der Fa. Thoma). Wichtigste Einflussgrössen auf die Eigenschaften von Holzwerkstoffen auf Vollholzbasis sind: Die Güte des eingesetzten Holzes (bei Brettschichtholz mit Festigkeitssortierung der Lamellen ist eine Anordnung der Bretter mit einer höheren Festigkeit in den Aussenlagen möglich). Die Art der Längsverbindung der Elemente (stumpfer Stoss, Keilzinkung). Der Schichtenaufbau (z.b. Verhältnis der Dicke der Decklage zur Dicke der Mittellagen bei Massivholzplatten, die Orientierung der Lagen bei Massivholzplatten). Die Schnittrichtung der Lagen (bei Massivholzplatten kann durch Riftschnitt = stehende Jahrringe, die Formbeständigkeit der Platten deutlich erhöht werden, da das Quell- /Schwindmass radial deutlich geringer ist als tangential). Technologische Parameter wie Pressdruck und Klebstoffanteil. 18

19 2.3 Werkstoffe auf Furnierbasis Werkstoffe auf Furnierbasis gehören zu den ältesten Holzwerkstoffen. In den letzten Jahren gewannen im Bauwesen der Einsatz von Furnierschichtholz (Laminated Veneer Lumber = LVL) und Furnierstreifenholz (Parallam) an Bedeutung. Nach EN wird Sperrholz unterteilt nach: dem Plattenaufbau (Furniersperrholz, Mittellagen-Sperrholz (Stab- und Stäbchensperrholz), Verbundsperrholz). der Form (eben, geformt). den Haupteigenschaften (Verwendung im Trockenbereich / im Feuchtbereich / im Aussenbereich). den mechanischen Eigenschaften. dem Aussehen der Oberfläche. dem Oberflächenzustand (z. B. nicht geschliffen, geschliffen). den Anforderungen des Verbrauchers. Abbildung 17 zeigt eine Einteilung der Werkstoffe auf Furnierbasis. Die Eigenschaften können durch Furnierdicke (Aufbaufaktor), Dichte und Leimgehalt wesentlich beeinflusst werden. Sperrholz wird für Spezialzwecke auch in grossen Dicken gefertigt. Neben dem konventionellen Sperrholz werden hochverdichtete und kunstharzimprägnierte Sperrhölzer für den Formenbau hergestellt und Spezialprodukte wie Ski- und Snowboard-Kerne sowie Formteile aus Sperrholz für die Möbelindustrie und den Fahrzeugbau gefertigt. Lagenholzwerkstoffe Verdichtung / Klebstoffgehalt unverdichtet (Normal-Lagenholz) verdichtet (Presslagenholz) verdichtet und mit Kunstharz getränkt (Kunstharz-Presslagenholz) (Parallam) Furnier- Partikel- Werkstoffe Faserverlauf in den Furnierlagen parallel (Schichtholz, LVL) unter einem Winkel von 90 (Sperrholz) unter einem Winkel von 15 (Sternholz) Abbildung 17: Einteilung von Werkstoffen auf Furnierbasis (Niemz 1993). Parallam Lagenholz Schichtholz Sperrholz Sternholz Abbildung 18: Strukturmodelle von Furnierwerkstoffen. 19

20 2.4 Werkstoffe auf Spanbasis Werkstoffe auf Spanbasis sind heute der weltweit dominierende Holzwerkstoff. Abbildung 19 zeigt eine Übersicht. Die Klassifizierung erfolgt nach EN 309. Klassifizierungsmerkmale sind: das Herstellungsverfahren (flachgepresst, kalandergepresst, stranggepresst). die Oberflächenbeschaffenheit (roh, geschliffen, flüssigbeschichtet, pressbeschichtet). die Form (flach, profilierte Oberfläche, profilierter Rand). die Grösse der Teilchen (Spanplatte, grossflächige Späne (Wafer), lange schlanke Späne (OSB), andere Späne). der Plattenaufbau (einschichtig, mehrschichtig, etc.). der Verwendungszweck (allgemeine Zwecke, tragende oder aussteifende Zwecke, spezielle Zwecke). Spanwerkstoffe Herstellungs- Verfahren Spanart / Orientierung Querschnittsstruktur Rohdichte Klebstoff- / Bindemittelart Formaldehydabgabe Oberfläche Beständigkeit flachgepresst kalandriert stranggepresst Formteile Schneidspäne Schlagspäne Fremdspäne Normalspan- Deckschicht Feinspan- Deckschicht Wafer Flake Laminated Strand Lumber (LSL) Oriented Structural Board einschichtig dreischichtig mehrschichtig stufenlos homogene Querschnittsstruktur niedrig mittel hoch Harnstoffharz Phenolharz Melaminharz Isocyanatharz Mischharze Zement Gips Tannine sehr niedrig niedrig mittel hoch pressblank geschliffen beschichtet feuchtegeschützt biogeschützt schwer brennbar Abbildung 19: Einteilung von Werkstoffen auf Spanbasis (Niemz 1993). Neben konventionellen Spanplatten (EN 312) und OSB (EN 300) werden heute eine Vielzahl von Spezialplatten kundenspezifisch in kleinen Mengen gefertigt. Auf diesem Gebiet hat es ebenso grosse Fortschritte gegeben, wie im Bereich der Engineered Wood Products. Als Beispiele seien genannt: Platten mit reduziertem elektrischen Widerstand (Zugabe von Russ) zur Verminderung dielektrischer Aufladungen (z. B. für Fussböden in Computerarbeitsräumen). Platten mit homogener Mittelschicht für Profilierungen. Platten mit besonders heller Deckschicht (entrindetes Holz) für Möbelfronten. Extrem leichte, nach dem Flachpressverfahren hergestellte Spanplatten mit Rohdichten von kg/m 3. Höher verdichtete Platten aus Laubholz für Bodenplatten. Extrem dicke, nach dem Flachpressverfahren gefertigte Platten für den Hausbau (z.b. Homogen 80, 80 mm dick). Vielfach werden Komplettsysteme für das Bauwesen von den Herstellern angeboten. Klassische Spanplatten werden heute in einer sehr grossen Variabilität in einem breiten Rohdichteprofil gefertigt. Dünne, nach dem Kalanderverfahren hergestellte Spanplatten und stranggepresste Spanplatten haben für Spezialzwecke einen festen Markt. Dünne Spanplatten und MDF werden aber auch zunehmend in kontinuierlichen Pressen im mm-bereich (bei MDF bis 1,5mm) hergestellt. Zahlreiche Hersteller haben eine bauaufsichtliche Zulassung und für den Hersteller spezifische Kennwerte zur statischen Berechnung. 20

21 2.5 Werkstoffe auf Faserbasis Nach EN 216 werden Faserplatten wie folgt unterteilt (Abbildung 20): Poröse Faserplatten (SB) Poröse Faserplatten mit zusätzlichen Eigenschaften (SB.I) Mittelharte Faserplatten geringer Dichte (MB.L) Mittelharte Faserplatten hoher Dichte (MB.H) Mittelharte Faserplatten hoher Dichte mit zusätzlichen Eigenschaften (MB.I) Harte Faserplatten (HB) Harte Faserplatten mit zusätzlichen Eigenschaften (HB.I) Mitteldichte Faserplatten (MDF) Mitteldichte Faserplatten mit zusätzlichen Eigenschaften (MDF.I) Faserwerkstoffe Rohdichte Querschnittsstruktur Klebstoffart Oberfläche Beständigkeit sonstige Formaldehydabgabe weich mittlere Dichte hart extrahart einschichtig dreischichtig mehrschichtig stufenlos homogene Querschnittsstruktur Harnstoffharz Phenolharz Bitumen holzeigene Bindemittel pressblank geschliffen beschichtet feuchtegeschützt biogeschützt schwer brennbar Sonderbehandlung (z.b. Lochen) sehr niedrig niedrig mittel hoch Abbildung 20: Einteilung von Werkstoffen auf Faserstoffbasis (Niemz 1993). Auch auf diesem Gebiet wurden wesentliche Fortschritte im Bereich von Spezialprodukten erreicht. Zu nennen sind hier insbesondere MDF (Medium Density Fiberboard). Es gelang, die Rohdichte für spezielle Einsatzbereiche (Dachplatten, Wandplatten) auf bis zu 350 kg/m 3 zu reduzieren. Der Vorteil liegt, neben der geringen Dichte, in einem niedrigen Diffusionswiderstand. Dämmplatten auf der Basis der MDF-Technologie mit einer Dichte bis zu 150 kg/m 3 werden industriell gefertigt. Dabei wird Isocyanat als Bindemittel eingesetzt. Auf Basis der MDF-Technologie gefertigte Dämmplatten haben im Vergleich zu den nach dem Nassverfahren gefertigten Platten eine höhere Druckfestigkeit und eine verbesserte Oberflächenqualität. Ebenso werden Dämmplatten auf Faserbasis unter Zugabe thermoplastischer Fasern nach einer in der Textiltechnik üblichen Technologie gefertigt. 2.6 Verbundwerkstoffe Eine zunehmende Bedeutung gewinnen auch Spezialprodukte wie: Träger aus Holz und Holzwerkstoffen. Verbundplatten mit Decklagen aus Holz oder Holzwerkstoffen und Kernen aus Holzwerkstoffen, Schaumstoffen oder Waben. OSB mit MDF (HDF)-Decklagen. Mehrschichtig aufgebaute Parkettböden. Lamellierte Fensterkanteln (zum Teil mit Innenlagen aus Schaumstoffen) Vorgespannte Bauteile aus Massivholz oder auch Holzwerkstoffen. Dabei handelt es sich um ein mehrschichtiges Material, mit meist hochfesten Decklagen und einer Mittellage aus einem leichteren Kern. Abbildung 21 zeigt eine Einteilung von Verbundwerkstoffen und in Abbildung 22 sind verschiedene Strukturmodelle dargestellt. 21

22 Verbundwerkstoffe Vollholzmittellage Spanplattenmittellage Hohlraummittellage Schaumstoffmittellage Abbildung 21: Einteilung von Verbundwerkstoffen. Faserplatte Furnier Randleiste Wabe Vollholz Furnier Faserplatte Faserplatte Spanplatte Schaumstoff Randleiste Abbildung 22: Strukturmodelle von Verbundwerkstoffen (verschiedene Kombinationen von Deck- und Mittellagen). 2.7 Engineered Wood Products Unter Engineered Wood Products wird eine Gruppe von Holzwerkstoffen verstanden, die primär dem Ersatz von Vollholz im Bauwesen dient. Sie werden als stabförmige (überwiegend Scrimber, Parallam) oder auch flächige Elemente (LSL, LVL) angeboten, welche auch zu stabförmigen Elementen aufgetrennt werden können. Als Vorteile im Vergleich zu Vollholz werden genannt: Sehr grosse und variable Abmessungen (insbesondere Längen), da endlos gefertigt. Keine Verformungen durch Trocknungsspannungen. Eine z.t. höhere Festigkeit als Vollholz, da keine Defekte (wie Äste) die Festigkeit vermindern. Die unter der Bezeichnung Engineered Wood Products gefertigten Produkte werden überwiegend mit Phenolharz oder Isocyanat feuchtebeständig verklebt. Tabelle 5 zeigt ausgewählte strukturelle Parameter von Engineered Wood Products. Strukturell handelt es sich dabei um Weiterentwicklungen von bekannten Werkstoffen auf der Basis von Spänen (LSL) oder Furnier (LVL, PSL). Für diese Werkstoffe gelten weitgehend die wissenschaftlichen Grundlagen von Spanplatten und Lagenholz. Die mechanischen Eigenschaften von Engineered Wood Products liegen im Bereich von Vollholz oder darüber. Bei diesen Produkten ist ein deutlicher Einfluss der Belastungsrichtung vorhanden (z.b. Biegung in und senkrecht zur Plattenebene). 22

23 Tabelle 5: Typische Strukturmerkmale von Engineered Wood Products. Produkt Strukturelemente Überwiegende Anwendung OSB = Spanwerkstoff LSL = Spanwerkstoff Structure Frame = Spanwerkstoff Scrimber = Spanwerkstoff LVL = Lagenholz PSL = Lagenholz COM-PLY = Verbundwerkstoff lange Späne l = mm b = mm d = 0,3...0,65 mm extra lange Späne l = 300 mm b = 25 mm d = 0,8-1 mm Wafer l = b = d = mm mm 1 mm durch Quetschen gefertigte Partikel Furnierlagen d = 2,5...4 mm Furnierstreifen b = 13 mm l = 0,6-2,5 m Spanplatte, beplankt mit Schichtholzlagen Platten differenzierter Dicke und Qualität Platten (bis 140 mm Dicke), Profile, Balken Platten Balken Platten, Balken Balken Balken Furnierschichtholz (Laminated Veneer Lumber, LVL) Furnierschichtholz wird aus weitgehend faserparallel verklebten Furnierlagen (meist aus Nadelholz hergestelltes Schälfurnier, Furnierdicke bis ca. 3 mm) gefertigt. Teilweise werden einige Lagen senkrecht orientiert, um die Festigkeit senkrecht zur Faserrichtung der Decklagen zu erhöhen. Kertoschichtholz ist in diese Gruppe einzuordnen, welches in den Sorten S (alle Lagen faserparallel) und Q (einige Lagen senkrecht angeordnet, um die Festigkeit senkrecht zur Faserrichtung zu erhöhen) hergestellt wird. Teilweise erfolgt bei LVL eine Vorsortierung der Furnierlagen nach der Festigkeit. Das Material wird sowohl als Plattenmaterial als auch für Balken (Brücken, Treppenbau) verwendet. Auch Hohlprofile auf LVL-Basis sind bekannt (Kawai, Sasaki und Yamauchi 2001). Dadurch wird eine wesentliche Verminderung des Materialeinsatzes erreicht. Furnierstreifenholz (Parallel Strand Lumber; PSL; Parallam) Dabei handelt es sich um einen Furnierwerkstoff, welcher aus Schälfurnier gefertigt wird. Das Furnier (ca. 3 mm dick) wird in ca. 13 mm breite und bis zu 2,5 m lange Streifen geschnitten, beleimt und zu Profilen verklebt. Das Material wird für Balken, vielfach auch für Verstärkungen, z. B. zur Aufnahme von Druckkräften, eingesetzt. Spanstreifenholz (Laminated Strand Lumber; LSL) Darunter wird ein Spezialprodukt von OSB (Oriented Strand Board) mit extrem langen (ca. 300 mm) Spänen verstanden. Als Rohstoff wird meist Aspe verwendet. Der Einsatz erfolgt überwiegend im Holzbau für statisch belastete Elemente (Ersatz für zu konstruktiven Zwecken eingesetztes Schnittholz). 23

24 Scrimber Dabei handelt es sich um einen Werkstoff, bei dem durch ein nichtzerspanendes Zerlegen von Holz (Zerquetschen von Rundholz) erzeugte Partikeln unter Anwendung von Druck und Wärme verleimt werden. Die Partikeln sind relativ lang und schwer manipulierbar. Verbundsysteme Hierunter werden z. B. die im Bauwesen eingesetzten Träger mit Stegen aus Spanplatten und Zugoder Druckgurten aus Furnierschichtholz oder auch Vollholz (zum Teil auch aus OSB) verstanden. Auch Verbundplatten mit Kernen aus Holz und Holzwerkstoffen sowie hochfeste Decklagen können in diese Gruppe eingeordnet werden. 2.8 Wood Plastic Composites (WPC) WPC sind eine Mischung von Kunststoffen und Holzpartikeln (Späne, Fasern). Der Holzanteil liegt zwischen 5-95%. Die Verarbeitung erfolgt mit Anlagen der Kunststoffverarbeitung. Das Material wird für Fassadenverkleidungen, Terrassenböden, Fenster u.a. verwendet. 24

25 KAPITEL III: Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe 1. Koordinatensystem Bei der Betrachtung des Holzes unterscheiden wir drei Schnittebenen. Die Beurteilung und Bestimmung von Holzeigenschaften ist stark von der Belastungsrichtung bzw. Bezugsebene abhängig. Das bedeutet, dass es sich bei Holz um ein inhomogenes und anisotropes Material handelt. L RT Abbildung 1a: Vollholz LT LR T Belastungsrichtungen: L- Longitudinal R- Radial T- Tangential R Schnittebenen: LT- Tangentialfläche, Fladerschnitt RT- Querschnitt, Hirnfläche LR- Radialfläche, Riftschnitt x 3 tf tc tf t x 2 l w f f c x 1 1b) Holzwerkstoffe (häufig gilt für die Indizes auch: 1 - x = in Herstellungsrichtung oder in Faserrichtung der Decklagen; 2 y = senkrecht zur Herstellungsrichtung oder zur Faserrichtung der Decklagen; 3 z = senkrecht zur Plattenebene) Abbildung 23: Koordinatensysteme von Holz und Holzwerkstoffen. 25

26 2. Dichte Die Rohdichte beeinflusst nahezu alle Eigenschaften massgeblich (z.b. Festigkeit, Schwind- und Quellmaße, Wärmeleitfähigkeit). So steigen mit zunehmender Dichte Festigkeit und Quellung sowie die Wärmeleitzahl. Die Dichte variiert zwischen den einzelnen Holzarten in einem weiten Bereich von 100 kg/m 3 (Balsa) bis 1200 kg/m 3 (Pockholz). Infolge des hygroskopischen Verhaltens des Holzes ist die Dichte feuchteabhängig (s. Graphik). Es sollte daher immer bei der Angabe der Dichte auch die Holzfeuchte mit angegeben werden. Die Rohdichte berechnet sich zu (vgl. DIN 52182): Rohdichte mu u in kg/m 3 m Masse V V Volumen u u Holzfeuchte [%] Neben der Rohdichte werden noch weitere Dichten für die Dichtebestimmung von Holz verwendet: - Darrdichte (Rohdichte im darrtrockenen Zustand: Masse darrtrocken/volumen darrtrocken). - Normal-Rohdichte (Rohdichte im Normalklima bei 20 C/65% rel. Luftfeuchte, für die meisten europäischen Hölzer entspricht dies einer Holzfeuchte von ca. 12%). - Raumdichtezahl (Masse darrtrocken/volumen im maximal gequollenen Zustand (= oberhalb Fasersättigung)). - Reindichte (Masse des darrtrockenen Holzes/Volumen der reinen Zellwand, ohne Hohlräume). Die Reindichte beträgt für alle Holzarten einheitlich ca kg/m 3. Abbildung 24: Einfluss des Feuchtegehaltes auf die Rohdichte. Die Rohdichte von Brettschichtholz und Sperrholz liegt im Bereich der Dichte des eingesetzten Holzes. Bei Partikelwerkstoffen kann die Rohdichte von 150 kg/m 3 bis 1050 kg/m 3 variieren. Spanplatten und MDF haben ein typisches Rohdichteprofil senkrecht zur Plattenebene, das durch Partikelstruktur, Feuchte und Presstechnik stark variiert werden kann. Mit der Rohdichte steigen die Festigkeit, der E-Modul und die Schallgeschwindigkeit. Durch Erhöhung der Deckschichtrohdichte bei Holzwerkstoffen können die Biegefestigkeit und der Biege-E-Modul erhöht werden, gleichzeitig wirkt sich eine geschlossene Deckschicht positiv auf die Beschichtbarkeit aus. Für die Schmalflächenbearbeitung wird meist ein relativ homogenes Rohdichteprofil mit einer geschlossenen, nicht zu porigen Mittelschicht angestrebt. Die Rohdichte ist eine der dominierenden Einflussgrössen. 26

27 3. Holzfeuchte, Quellen und Schwinden Definition Kenngrösse zur Beurteilung des Wasseranteils ist der Feuchtegehalt (DIN 52183). Dieser berechnet sich zu: ω Feuchtegehalt (früher mit u bezeichnet (DIN 52183)) m m dtr 100 (%) m ω Masse des Holzes im feuchten Zustand mdtr Masse des Holzes im darrtrockenen Zustand m dtr Grenzzustände des Systems Holz-Wasser Holz ist ein kapillarporöses System. Sowohl in die Makro- als auch die Mikroporen (Poren im Zellwandsystem) des Holzes können sich Wassermoleküle einlagern. Wir unterscheiden 3 Grenzzustände des Systems Holz Wasser: - Darrtrocken: Es ist kein Wasser im Holz vorhanden, Holzfeuchte 0%. - Fasersättigung: Das gesamte Mikrosystem der Zellwand (intermicellare und interfibrillare Hohlräume) ist maximal mit Wasser gefüllt. Die Holzfeuchte liegt etwa bei 28%; ein gewisser Einfluss der Holzart ist vorhanden. - Wassersättigung: Das Mikro- und Makrosystem des Holzes ist maximal mit Wasser gefüllt. Die Holzfeuchte liegt je nach Dichte des Holzes zwischen 770% (Balsa) und 31% (Pockholz). Der über Sorption bis zur Fasersättigung aufgenommene Wasseranteil im Holz wird als gebundenes Wasser bezeichnet. Das oberhalb des Fasersättigungsbereiches eingelagerte Wasser wird als freies Wasser bezeichnet. Sorptionsverhalten Holz ist hygroskopisch und nimmt Wasser aus der Luft durch Sorption auf bzw. gibt dieses durch Desorption an die Luft ab. Dies gilt bis zu einer relativen Luftfeuchte von 100%. Bei dieser Luftfeuchte ist der sogenannte Fasersättigungsbereich erreicht. Einer bestimmten Temperatur und rel. Luftfeuchte ist also eine holzartenspezifische Holzfeuchte zugeordnet. Wird die rel. Luftfeuchte reduziert, kommt es zur Desorption. Zwischen Adsorption und Desorption ist ein Hysterese-Effekt vorhanden, d.h. bei Desorption ist die Holzfeuchte um 1-2% höher als bei der Adsorption. Sorptionsisothermen bei 20 C 32 Fichtenholz Wassergehalt u (%) Massivholzplatten Spanplatten MDF a) rel. Luftfeuchtigkeit (%) 27

28 b) Abbildung 25: Sorptionsverhalten von Holz und Holzwerkstoffen: a) Sorptionsisothermen verschiedener Holzwerkstoffe; b) Sorptionsisotherme von Fichtenholz bei variabler rel. Luftfeuchte und Temperatur. Die Feuchteaufnahme und -bindung zwischen darrtrockenem und fasergesättigtem Holz wird getrennt in: - Chemisorption (Bildung einer monomolekularen Wasserschicht) - Physisorption oder physikalische Adsorption (Bildung einer polymolekularen Wasserschicht) - Kapillarkondensation (Kondensation des Wassers in den Kapillaren) Oberhalb des Fasersättigungsbereiches nimmt Holz flüssiges Wasser durch Kapillarkräfte auf. Der Feuchtetransport im Holz erfolgt nach den Gesetzen der Kapillarphysik (von weiten in Richtung enger Kapillaren). Unterhalb der Fasersättigung erfolgt der Feuchtetransport durch Diffusion. Durch Tüpfelverschluss (z.b. bei Fichte) oder Verthyllung der Laubhölzer (z.b. bei Robinie, Eiche, Edelkastanie) wird die kapillare Feuchteaufnahme stark reduziert, was sich auch beim Tränken mit Holzschutzmitteln in einer geringen Tränkmittelaufnahme äussert. Ebenso ist ein Einfluss auf das Trocknungsverhalten vorhanden. Da Trocknungs- und Befeuchtungsprozesse sehr langsam ablaufen (Feuchtetransport unterhalb der Fasersättigung erfolgt durch Diffusion), stellt sich bei grösseren Querschnitten stets ein Feuchteprofil ein. Während an der Oberfläche sehr schnell die Gleichgewichtsfeuchte erreicht ist, kann dies in Brettschichtholzbalken ein über Monate oder gar Jahre dauernder Prozess sein. Da auch im Rauminneren oder im Freien die rel. Luftfeuchte ständig wechselt, kommt es praktisch nur im oberflächennahen Bereich zu einem Angleichen an die aktuelle rel. Luftfeuchte. Abbildung 26 zeigt das Feuchtprofil in einer 60mm dicken, 1m x 1m grossen Massivholzplatte. Diese wurde zunächst bis zum Erreichen der Gleichgewichtsfeuchte bei 20 C/65% rel. Luftfeuchte klimatisiert, danach in einem Feuchtklima bei 2 C/90% rel. Luftfeuchte gelagert. Durch ein solches Feuchteprofil entstehen Eigenspannungen, bei asymmetrischer Feuchteeinwirkung auch Verformungen. 28